XPLE電樹枝生長(zhǎng)過程中局部放電SHF信號(hào)特性研究

陸云才,丁毅,陶風(fēng)波,潘婷,王亞林,尹毅

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院,江蘇 南京 211103；2. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

0 引言

交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)電纜在運(yùn)行過程中,絕緣層中電樹枝的引發(fā)和生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致材料老化和介電性能下降,是引起故障的重要原因[1]。聚合物絕緣材料的電樹枝化是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程,是多種因素共同作用的結(jié)果[2],其引發(fā)和生長(zhǎng)與環(huán)境溫度、外加電壓、機(jī)械應(yīng)力及材料的聚合狀態(tài)有關(guān)[3—4]。絕緣材料的微小缺陷在電纜的使用過程中,受各種因素作用引發(fā)電樹枝并生長(zhǎng),導(dǎo)致缺陷逐步擴(kuò)大。當(dāng)絕緣材料內(nèi)部形成電樹枝時(shí),往往伴隨著局部放電(partial dis-char-ge,PD)現(xiàn)象,期間產(chǎn)生的高能粒子對(duì)絕緣材料分子結(jié)構(gòu)的破壞,是電樹枝的引發(fā)和生長(zhǎng)過程中的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)電纜絕緣中存在微小絕緣缺陷區(qū)域時(shí),電場(chǎng)分布不均,缺陷區(qū)域會(huì)率先發(fā)生PD,誘發(fā)電樹枝生長(zhǎng),微小氣隙或通道會(huì)進(jìn)一步延伸,相互連接形成放電通道,繼續(xù)發(fā)生PD[5]。因此從原理上分析,電樹枝的生長(zhǎng)和PD信號(hào)間存在關(guān)聯(lián)性。

目前國內(nèi)外對(duì)影響電樹枝生長(zhǎng)因素的研究包括空間電荷、實(shí)驗(yàn)溫度、外施電壓和材料結(jié)構(gòu)等。李光道等[6]利用針-板電極模型,證明了直流電樹枝由受陷電荷引發(fā)的；陳仕軍等[7]的研究表明電壓越高電樹枝的結(jié)構(gòu)越密集,電樹枝起始時(shí)間縮短,生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)；王雅妮等[8]利用電荷的注入-抽出理論分析得出溫度升高可以加快電荷注入和抽出的速率,增加電荷的遷移距離促進(jìn)電樹枝的生長(zhǎng)。周利軍等[9]利用實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在低溫下XLPE電纜絕緣中電樹枝生長(zhǎng)沒有明顯的影響；高溫情況下,電樹枝的生長(zhǎng)更為迅速。

PD的檢測(cè)方法眾多,電纜運(yùn)行環(huán)境中往往包含大量電磁干擾,檢測(cè)方法需要有較強(qiáng)抗干擾能力。PD產(chǎn)生過程中伴隨空間電荷的遷移,絕緣材料中存在結(jié)構(gòu)陷阱,電荷入陷過程會(huì)產(chǎn)生能量,部分能量以高頻電磁波形式向外輻射。材料絕緣強(qiáng)度越大,內(nèi)部所產(chǎn)生PD的脈沖信號(hào)上升時(shí)間會(huì)越短,從傅里葉變換可知,非周期單脈沖信號(hào)的頻譜是連續(xù)譜,脈沖上升時(shí)間越短,寬度越窄,包含的高頻諧波成分越多。日本Hiroki Shibata等人研究發(fā)現(xiàn)變壓器油中PD信號(hào)可達(dá)10 GHz[10],由于XLPE材料絕緣強(qiáng)度比變壓器油更高,因此其中PD的脈沖頻段可達(dá)到超高頻(super high frequency,SHF,3～30 GHz)頻段,而空間干擾頻率一般低于2 GHz,可通過檢測(cè)和分析PD過程中的SHF信號(hào),在有效避開干擾的同時(shí)采集到PD。

文中采用基于針-板電極結(jié)構(gòu)和XLPE材料的絕緣缺陷試樣,在不同溫度和電壓下,對(duì)電樹枝生長(zhǎng)過程中的形態(tài)和SHF局部放電信號(hào)進(jìn)行同步檢測(cè),分析電壓和溫度變化對(duì)電樹枝生長(zhǎng)與SHF PD信號(hào)的影響,研究XLPE絕緣材料電樹枝生長(zhǎng)過程中形態(tài)與SHF局部放電信號(hào)的特征關(guān)系。

1 電樹枝實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 電樹枝樣品制備和放置

文中所用XLPE型號(hào)為4258,針-板電極缺陷樣品的具體制作過程為：將顆粒狀XLPE放入烘箱內(nèi),抽真空后溫度設(shè)70 ℃,保持加熱7～8 h,放置20～24 h以去除水分；在轉(zhuǎn)矩流變儀中混料后置于壓片機(jī)中,模具尺寸為120 mm×120 mm×5 mm,溫度設(shè)為105 ℃,逐漸加壓,待壓力為20 MPa時(shí),升溫至180 ℃并維持15 min,待樣品冷卻后取出,打磨平整后切割成40 mm×20 mm×5 mm規(guī)格。再利用細(xì)砂紙,將直徑1 mm,長(zhǎng)度35 mm的錳鋼針針尖的曲率半徑打磨至5 μm左右(用顯微鏡和觀察測(cè)量),擦拭干凈后利用氣動(dòng)插針裝置,將錳鋼針依次插入樣片中,針尖距離樣片底部3 mm。最后放入90 ℃的真空烘箱內(nèi)保持加熱7～8 h,并放置20～24 h后取出,以消除插針過程中在樣片中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。樣品示意如圖1所示。

圖1 電樹枝樣品示意Fig.1 Schematic of electric tree sample

實(shí)驗(yàn)樣片固定在接地鋁板上,鋁板電極平放在方形容器中,鋁板、容器外殼和地保證有效電連接,構(gòu)成針-板電極系統(tǒng),針上部插入帶孔導(dǎo)電銅球,實(shí)現(xiàn)有效電連接(具有均壓作用),如圖2所示。采用恒溫槽進(jìn)行循環(huán)油浴加熱,既能控制溫度且能有效防止沿面放電和外部放電。

圖2 針-板電極結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of needle-plate electrode

1.2 電樹枝形態(tài)觀察和采集系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)過程中為清晰判斷電樹枝形態(tài)隨時(shí)間的生長(zhǎng)狀況,需進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。文中用光源、帶有顯微鏡頭的CCD工業(yè)相機(jī)如圖3所示和計(jì)算機(jī)組裝成如圖4所示電樹枝形態(tài)實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng),可通過上下、焦距調(diào)整、左右移動(dòng)旋鈕時(shí)觀測(cè)進(jìn)行調(diào)整,配合Daheng MER-Series Viewer軟件,實(shí)時(shí)觀測(cè)電樹枝生長(zhǎng)過程并保存電樹枝生長(zhǎng)圖片。

圖3 顯微鏡系統(tǒng)Fig.3 Microscope system

圖4 電樹枝實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)Fig.4 Electric tree real-time observation system

2 SHF局部放電檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SHF檢測(cè)法是利用高頻傳感器采集局部放電信號(hào)中輻射出來的SHF電磁波信號(hào)[11]。實(shí)驗(yàn)或工程在線檢測(cè)過程中,外界會(huì)存在眾多電磁信號(hào)干擾,如電暈放電帶來的噪聲信號(hào)等,且干擾信號(hào)和放電信號(hào)同屬脈沖信號(hào),但前者在SHF頻段的分量較小,因此選擇帶寬合理的傳感器和放大濾波元件可有效濾除干擾,保留放電信號(hào)。基于上述,文中搭建了SHF局部放電檢測(cè)系統(tǒng)用于檢測(cè)電樹枝發(fā)展過程中局部放電的SHF信號(hào),總體測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 SHF局部放電測(cè)試系統(tǒng)Fig.5 SHF partial discharge test system

2.1 SHF頻段傳感器

基于圖4顯示的測(cè)試環(huán)境,為避免高壓對(duì)傳感器和示波器造成傷害,宜采用非接觸式傳感器,即高頻天線。由于樣品置于金屬槽內(nèi),考慮其屏蔽作用,需將天線伸入槽內(nèi),故不能選擇尺寸過大的天線,同時(shí)其下限截止頻率應(yīng)較高,以濾除部分干擾。綜合考慮上述因素,選擇頻段為2.4～7 GHz的全向貼片天線傳感器,掃頻結(jié)果顯示其電壓駐波比(voltage standing wave ratio,VSWR)在3～6 GHz的范圍內(nèi)較平穩(wěn),采集性能最佳。預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在電樹枝生長(zhǎng)過程的局部放電信號(hào)中,樣品產(chǎn)生的SHF分量頻率在4～5 GHz左右,該天線傳感器滿足采集要求。

2.2 放大濾波系統(tǒng)

局部放電的SHF信號(hào)屬微小信號(hào),需低噪聲運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,同時(shí)天線對(duì)干擾信號(hào)存在一定衰減幅度不夠,且考慮放大器的噪聲干擾,需添加截止頻率3 GHz以上的濾波器,對(duì)環(huán)境干擾和放大器噪聲進(jìn)行衰減。考慮到濾波器的增益曲線在截止頻率處呈非階躍變化,而呈一定斜率變化,固選擇截止頻率稍高于3 GHz的無源濾波器。綜合上述因素,選擇帶寬50～6 GHz射頻低噪聲放大器,其在4～5 GHz頻率下增益約20 dB；選擇帶寬為4.25～10 GHz的無源濾波器。

所用示波器帶寬8 GHz、采樣率20 GS/s,有4個(gè)模擬通道且每通道配備50 Mpts存儲(chǔ)器。天線用絕緣膜嚴(yán)密包裹,并用絕緣膠帶密封,再將天線伸入槽內(nèi),待油灌滿后用絕緣膠帶固定在距離樣品5 cm處,避免流動(dòng)的絕緣油晃動(dòng)天線。

3 實(shí)驗(yàn)方案和結(jié)果

通常絕緣為4.5 mm電纜的額定電壓為10 kV(電纜中均方根平均電場(chǎng)約為2.22 kV/mm),文中樣品模擬電纜中金屬毛刺缺陷,電極間距3 mm,且由于針板電極相對(duì)集中,故實(shí)驗(yàn)電壓設(shè)為7 kV。此外,考慮到聚乙烯電纜的正常工作溫度為70 ℃,允許的工作溫度不得超過90 ℃[12]。以7 kV,70 ℃為基準(zhǔn)電壓和溫度,設(shè)置5 kV,7 kV和9 kV作為實(shí)驗(yàn)電壓,設(shè)置50 ℃,70 ℃和90 ℃作為實(shí)驗(yàn)溫度,電壓由變壓器控制,實(shí)驗(yàn)溫度由恒溫槽設(shè)定油浴溫度進(jìn)行控制。加壓60 min,電樹枝圖片每隔10 s記錄1次；SHF信號(hào)前5 min中每30 s記錄1次,5 min后每1 min記錄1次,記錄數(shù)據(jù)包括不同時(shí)間尺度的波形。

3.1 實(shí)驗(yàn)特征量提取

3.1.1 電樹枝特征量提取

軟件采集的電樹枝實(shí)時(shí)照片需要進(jìn)行信息提取。由于電樹枝形狀具有極強(qiáng)的隨機(jī)性,一般采用“分形維數(shù)”來描述電樹枝生長(zhǎng)特性。文中使用盒記數(shù)法計(jì)算分形維數(shù),利用線段、圓形或者正方形等圖形去近似表示分形圖形[13],原理如圖6所示。

圖6 盒記數(shù)法示意Fig.6 Schematic diagram of box notation

首先需要對(duì)電樹枝圖像進(jìn)行灰度調(diào)整、模式識(shí)別、特征測(cè)試或頻譜分析等處理,將圖像的中心區(qū)域提取出來,并通過Labview軟件對(duì)提取的圖像進(jìn)行濾波灰黑二值化處理,轉(zhuǎn)變?yōu)楹诎孜粓D。改變方盒邊長(zhǎng)r,計(jì)算將電樹枝完全覆蓋的方格數(shù)N(r),此時(shí)的分形維數(shù)D可以表示為[14]：

(1)

結(jié)合分形維數(shù)與電樹枝形態(tài)特征,枝狀電樹枝的分形維數(shù)一般小于1.45,叢狀電樹枝的分形維數(shù)一般大于1.65,而混合狀電樹枝的分形維數(shù)介于[1.45,1.65]之間。在電樹枝生長(zhǎng)過程中分形維數(shù)都會(huì)隨著時(shí)間而變化,電樹枝停滯生長(zhǎng)時(shí)分形維數(shù)趨于穩(wěn)定[15]。除分形維數(shù)外,還根據(jù)顯微鏡的放大倍數(shù)和圖像像素?cái)?shù),獲得實(shí)際長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系。并編寫了labview程序?qū)D片中樹枝形態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量,將電樹枝的寬度和長(zhǎng)度也作為特征量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3.1.2 SHF局部放電特征量提取

局部放電特征量的提取和檢測(cè)方法有關(guān),脈沖電流法以視在放電量(單位pC)和相位等作為特征量[16]；UHF法以dB為單位計(jì)量(基準(zhǔn)為1 mW)檢測(cè)放電功率,表征放電強(qiáng)度,同時(shí)也提取放電相位信息等[17—21]。

文中檢測(cè)的PD信號(hào)在3 GHz以上,且不需放電模式識(shí)別,結(jié)合使用檢測(cè)系統(tǒng)和SHF信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理,以放電信號(hào)的SHF頻段頻率和幅值作為放電提取的特征量。以70 ℃,7 kV下XLPE樣品某次SHF局部放電信號(hào)為例,波形如圖7所示,圖(a)PD完整波形顯示了其幅值,圖(b)的波形細(xì)節(jié)顯示了其頻率,記錄不同時(shí)刻放電幅值和頻率,并求得不同條件下各量平均值。

圖7 SHF局部放電信號(hào)波形Fig.7 SHF partial discharge signal

3.2 不同溫度下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 電樹枝形態(tài)

通過顯微鏡觀測(cè)得到在施加電壓7 kV,不同溫度下電樹枝的最終發(fā)展情況如圖8所示。在電壓7 kV不同溫度下,電樹枝的長(zhǎng)度、寬度和分形維數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖9所示。

圖8 不同溫度下電樹枝的最終發(fā)展情況Fig.8 The final development of electric tree branches at different temperatures

圖9 不同溫度電樹枝特征量隨時(shí)間變化Fig.9 Electrical tree feature quantity changes with time at different temperature

由圖9可知,電樹枝的長(zhǎng)度、寬度和分形維數(shù)隨時(shí)間變化的速率均是先快速后緩慢,在前10 min左右生長(zhǎng)較快,之后較為平緩,最終長(zhǎng)成的電樹枝的分形維數(shù)大于1.65,屬叢狀電樹枝。在相同電壓下,隨溫度升高,電樹枝的長(zhǎng)度和寬度逐漸增長(zhǎng),50 ℃和70 ℃下電樹枝狀況差異較小,90 ℃下電樹枝有了明顯的延長(zhǎng)和拓寬,而分形維數(shù)變化不大。結(jié)合圖8的顯微鏡照片可看出,溫度對(duì)電樹枝的分形維數(shù)影響較小,電樹的長(zhǎng)寬則呈延伸狀態(tài),且溫度越高影響越大。

3.2.2 SHF局部放電信號(hào)

經(jīng)采集和結(jié)果篩選統(tǒng)計(jì),不同溫度下SHF局部放電信號(hào)的特征量參數(shù)如圖10所示。

圖10 不同溫度SHF局放信號(hào)特征量隨時(shí)間變化Fig.10 SHF PD feature quantity changes with time at different temperature

不同溫度下PD信號(hào)幅值和頻率的平均值如表1所示。

表1 不同溫度SHF PD信號(hào)特征量平均值Table 1 SHF PD feature quantity average value at different temperature

根據(jù)圖10所示現(xiàn)象和表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果,50 ℃和70 ℃下,SHF局部放電信號(hào)的幅值差距很小,90 ℃下,幅值顯著提高；3種溫度下的SHF信號(hào)頻率差異不大,信號(hào)頻率大多在4～5 GHz之間。

3.3 不同電壓下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 電樹枝形態(tài)

通過顯微鏡觀測(cè)得到在70℃,不同電壓下電樹枝的最終發(fā)展情況如圖11所示。在70 ℃和不同電壓下,電樹枝的長(zhǎng)度、寬度和分形數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖12所示。

圖11 不同電壓下電樹枝的最終發(fā)展情況Fig.11 The final development of electric tree branches at different voltages

圖12 不同電壓電樹枝特征量隨時(shí)間變化Fig.12 Electrical tree feature quantity changes with time under different voltages

結(jié)合圖12實(shí)驗(yàn)結(jié)果和圖11顯微鏡照片可知,相同溫度下,電壓升高對(duì)電樹枝的長(zhǎng)寬影響較大,分形維數(shù)在5 kV時(shí)較小呈混合狀,7 kV和9 kV變化相對(duì)不明顯,最終電樹枝依然呈叢狀。7 kV下電樹枝的長(zhǎng)度和寬度約為5 kV的2倍,而9 kV下電樹枝的長(zhǎng)度和寬度有了較大幅度增加。

3.3.2 SHF局部放電信號(hào)

經(jīng)采集和結(jié)果篩選統(tǒng)計(jì),溫度70 ℃,不同電壓下SHF局部放電信號(hào)特征量變化如圖13所示。

圖13 不同電壓SHF PD信號(hào)特征量隨時(shí)間變化Fig.13 SHF PD feature quantity changes with time under different voltages

不同電壓下PD信號(hào)幅值和頻率的平均值如表2所示。

表2 不同電壓SHF PD信號(hào)特征量平均值Table 2 SHF PD feature quantity average value under different voltages

圖13和表2結(jié)果表明隨著電壓升高,SHF信號(hào)的幅值有明顯提升,且隨電壓升高提升幅度變大,頻率有一定程度的升高,9 kV下的信號(hào)頻率在初始時(shí)較大,隨后逐漸減小趨于平緩,幅值則呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)。

4 結(jié)果分析和討論

4.1 溫度和電壓對(duì)電樹枝形態(tài)的影響

對(duì)比圖9與圖12所示生長(zhǎng)趨勢(shì)可知,電壓對(duì)電樹枝的生長(zhǎng)影響程度比溫度大。綜合交流電場(chǎng)下不同溫度和不同電壓下電樹枝的生長(zhǎng)狀況,和電樹枝的生長(zhǎng)原理分析,溫度升高促進(jìn)電荷的入陷和脫陷過程[22],電荷的遷移率也越高,導(dǎo)致電樹枝長(zhǎng)度和寬度的延伸,但電荷的注入濃度越高,針尖的電場(chǎng)更加均勻,抑制電荷的注入,因此一定范圍內(nèi)的溫度升高電樹枝的形態(tài)差異較小。溫度較高時(shí)會(huì)對(duì)材料的結(jié)構(gòu)造成影響,當(dāng)溫度超過XLPE的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí),其許多性能參數(shù),如介電常數(shù),導(dǎo)熱系數(shù)和膨脹系數(shù)等會(huì)發(fā)生變化,且材料中的自由體積會(huì)增大,電荷分布更加均勻會(huì)使更多熱電子在與外加電場(chǎng)垂直的方向生成,同時(shí)由于電子平均自由程的增大,會(huì)促進(jìn)電樹枝分枝的形成[8],使其寬度增加,這一點(diǎn)在圖8的顯微照片和圖9(b)的寬度數(shù)據(jù)中已有所體現(xiàn)。電子平均自由程的增加也會(huì)使熱電子撞擊距針尖更遠(yuǎn)處的XLPE分子,延伸電樹枝的長(zhǎng)度。

有研究表明,外施電場(chǎng)越強(qiáng),電荷注入越多[23]。由電磁場(chǎng)理論可知,電場(chǎng)強(qiáng)度是電壓的負(fù)梯度,電壓升高針尖處場(chǎng)強(qiáng)也隨之升高,除增大電荷的移動(dòng)速度外,電荷的注入會(huì)造成局部場(chǎng)強(qiáng)過高,促進(jìn)新的游離自由基積聚形成新的空間電荷,使得電荷的注入速度和濃度有較大程度的增加,電樹枝向板電極的延伸更為明顯。尤其當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)較高時(shí),XLPE內(nèi)部大量共價(jià)鍵達(dá)到斷鍵臨界場(chǎng)強(qiáng)而斷裂,上述過程發(fā)展更劇烈,故電樹長(zhǎng)寬較大。

4.2 溫度和電壓對(duì)SHF局部放電信號(hào)的影響

文中對(duì)局部放電的研究著重于溫度和電壓的影響對(duì)其SHF信號(hào)幅值和頻率影響。從數(shù)學(xué)角度分析,SHF信號(hào)是非周期脈沖,其頻譜為全頻域的連續(xù)譜,脈沖越窄,dV/dt值越高,則高頻部分幅值越高。從信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理分析,在PD產(chǎn)生瞬間,電荷快速移動(dòng)產(chǎn)生微小脈沖電流,引起局部電場(chǎng)的瞬時(shí)變化,從而激發(fā)高頻電磁波,若將每個(gè)發(fā)生PD的通道簡(jiǎn)化為一個(gè)微小的偶極子天線,偶極子天線的遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)輻射為：

(2)

式中：Eθ為輻射場(chǎng)強(qiáng),是仰角θ和距離r的函數(shù)；β為相移常數(shù)；l為偶極子長(zhǎng)度,遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)；I為電流幅值。

由式(2)可知,天線接收的輻射強(qiáng)度和電流幅值成正比。由文中實(shí)驗(yàn)可知,電流幅值和電荷量及移動(dòng)速度呈正相關(guān)。溫度升高會(huì)激發(fā)更多熱電子,電荷注入濃度升高,主要增大了PD產(chǎn)生過程中的遷移電荷量,I增大,引起信號(hào)的幅值增大。電壓/電場(chǎng)的增強(qiáng)如4.1節(jié)所述,一方面會(huì)增加電荷量,另一方面也會(huì)增大電荷的移動(dòng)速度,因此I增大幅度比溫度升高要大,信號(hào)的幅值也更大。

SHF信號(hào)的頻率隨溫度和電壓變化趨勢(shì)盡管不十分明顯,但從式(2)中輻射信號(hào)的角頻率ω與輻射信號(hào)幅值呈反比可知,若信號(hào)電流幅值不夠大,高頻率的信號(hào)幅值會(huì)較小,不易檢測(cè),因此信號(hào)幅值最大的70 ℃,9 kV所得的平均頻率也最高,其中聯(lián)系有待進(jìn)一步理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4.3 電樹枝形態(tài)與SHF局部放電信號(hào)的關(guān)系

根據(jù)不同條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果,溫度和電壓的升高都會(huì)促進(jìn)電荷的注入,增加電荷量和電荷的移動(dòng)速度,從而增大PD的SHF信號(hào)幅值,也促使電樹枝的延伸,長(zhǎng)寬增加。對(duì)于XLPE絕緣材料而言,隨著加壓時(shí)間的延長(zhǎng),針尖附件的材料逐漸老化,隨著電樹的生長(zhǎng),更多的XLPE分子鏈被打斷,斷裂而形成H·和·CH3游離自由基,游離自由基的積聚會(huì)促進(jìn)空間電荷的積累[24],畸變內(nèi)部電場(chǎng)分布,誘發(fā)PD,PD的產(chǎn)生則會(huì)繼續(xù)釋放高能粒子,撞擊分子結(jié)構(gòu),導(dǎo)致電樹分枝繼續(xù)延長(zhǎng),總體來看電樹枝的生長(zhǎng)情況與SHF局部放電信號(hào)的幅值總體呈正相關(guān),當(dāng)電樹枝生長(zhǎng)速度較快時(shí),局部放電信號(hào)的頻率也有所升高。而當(dāng)電樹發(fā)展到一定程度,產(chǎn)生微觀縫隙而電場(chǎng)不夠強(qiáng)時(shí),帶電粒子可能無法全部到達(dá)極板,I不夠高,SHF信號(hào)的幅值會(huì)有所下降,這在圖13(a)中也有所體現(xiàn)。

5 結(jié)論

文中對(duì)XLPE絕緣材料在不同溫度和電壓下進(jìn)行電樹枝和SHF局部放電實(shí)驗(yàn),通過電樹枝形態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和SHF局部放電檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)電樹枝生長(zhǎng)過程中形態(tài)變化與SHF局部放電信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和采集,經(jīng)處理獲得電樹枝長(zhǎng)度、寬度和分形維數(shù)及SHF信號(hào)的幅值和頻率,綜合分析溫度與電壓的影響和二者的特征關(guān)系,得到如下結(jié)論：

(1) 相同電壓下,溫度升高,電樹枝的長(zhǎng)度、寬度呈現(xiàn)上升趨勢(shì),分形維數(shù)變化較小；溫度較高時(shí)SHF局部放電信號(hào)的幅值增加較明顯,頻率變化較小；

(2) 相同溫度下,電壓升高,電樹枝的長(zhǎng)度、寬度增加,電壓越高增加越明顯,電壓較低時(shí)分形維數(shù)較??；SHF局部放電信號(hào)的幅值隨電壓升高顯著增加,且溫度越高增加幅度越大；

(3) 電樹枝生長(zhǎng)的長(zhǎng)度、寬度與SHF局部放電信號(hào)的幅值呈正相關(guān)關(guān)系,且電樹枝生長(zhǎng)速度較快時(shí)SHF信號(hào)的頻率也有所提升。

通過上述研究發(fā)現(xiàn)用SHF法檢測(cè)XLPE絕緣中電樹枝引發(fā)和生長(zhǎng)過程中的PD信號(hào)有較高的靈敏度,同時(shí)由于所測(cè)頻段高,能夠避開常見電磁干擾,有望成為XLPE絕緣電力電纜PD在線監(jiān)測(cè)的一種有效技術(shù)。